Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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PROCEDE DE PREPARATION DE GRANULATS LEGERS
Domaine de l'invention
[0001] La présente invention a pour objet un procédé de préparation de
granulats légers à base d'argile, lesdits granulats étant adaptés à une
utilisation notamment dans les ouvrages de travaux publics, en particuliers
les usages routiers, et la construction.
Etat de la technique
[0002] Les déchets industriels, tels que notamment les boues produites par
les stations d'épuration urbaines ou industrielles, contiennent des matières
organiques, des minéraux contenant une fraction plus ou moins
importante de fines d'argiles, des métaux et éventuellement des polluants
toxiques. Ces déchets représentent un volume très conséquent et de
nombreux procédés sont relatifs à leur traitement et à leur valorisation.
[0003] Il existe donc un besoin constant de développer des procédés qui
permettent une valorisation des déchets industriels, tout en produisant des
matériaux d'intérêt pour l'industrie ou pour tout autre usage.
[0004] La valorisation des déchets, notamment les boues et les sous-
produits industriels, implique que ceux-ci soient considérés comme
inertes, c'est-à-dire qu'ils ne se décomposent pas, ne brûlent pas, ne
produisent pas de réaction physique ou chimique et ne détériorent pas
d'autres matières en contact avec eux de manière préjudiciable à
l'environnement ou à la santé humaine.
[0005] La Norme européenne NF X 30-402-2 spécifie un essai de
conformité fournissant des informations sur la lixiviation des déchets
fragmentés et des boues dans des conditions expérimentales définies.
Cette Norme européenne est relative à la caractérisation des déchets, et
notamment la conformité pour lixiviation des déchets fragmentés et des
boues. Ainsi, les fractions lixiviables d'un certain nombre d'éléments ou de
composés chimiques ne doivent pas dépasser certains seuils de
concentration fixés par la réglementation en vigueur, notamment les
valeurs guide définies par le CEREMA (Centre d'Etudes et d'Expertise sur
les Risques, l'Environnement, la Mobilité et l'Aménagement). A titre
indicatif, les limites admissibles telles que définies dans la réglementation
pour les installations de stockage en déchets inertes (ISDI) (annexe II de
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l'arrêté de Décembre 2014) sont indiquées dans le tableau 1 ci-après, en
mg/Kg de matière sèche :
Valeurs guides
Paramètres
ISDI
ESSAIS DE LIXIVIATION (Norme NF X 30-402-2) -
L-S = 10 L/kg
Arsenic (As) 0.5
Baryum (Ba) 20
Cadmium (Cd) 0.04
Chrome total (Cr total) 0.5
Cuivre (Cu) 2
Mercure (Hg) 0.01
Molybdène (Mo) 0.5
Nickel (Ni) 0.4
Plomb (Pb) 0.5
Antimoine (Sb) 0.06
Sélénium (Se) 0.1
Zinc (Zn)
Chlorures (3) 800
Fluorures 10
Sulfates (3) 1000
Indice Phénols 1
Carbone organique total (COT) sur éluât (1) 500
Fraction soluble (3) (FS) 4000
ESSAIS SUR DECHETS BRUTS
Carbone organique total (COT) 30000
Benzène, Toluène, Ethylbenzène et Xylènes (BTEX) 6
Polychlorobiphényles 7 congénères (PCB) J.
Hydrocarbures en Cio à C40(HCT) 500
Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) 50
Siccité (en %) 30
Tableau 1
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[0006] La demande de brevet EP-A1-1 571 135 décrit un procédé de
fabrication de granulats d'argile expansée comprenant une fraction de
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matériaux issus de boues organiques. Ce procédé comporte une première
étape de traitement thermique réalisé à une température de 500 à 750 C,
permettant l'élimination des matières organiques et l'expansion en volume
du granulat, et une deuxième étape de traitement thermique réalisée à
une température de 900 à 1200 C, ladite deuxième étape permettant,
d'une part, l'expansion finale du volume du granulat, et d'autre part,
l'acquisition d'une cohésion définitive du granulat par un effet d'eutectique
entre les fractions minérales respectives de l'argile et de la boue. Ce
procédé ne donne cependant pas entièrement satisfaction dans la mesure
Où il ne permet d'aboutir à des granulats conformes à la réglementation en
vigueur, notamment parce que les fractions lixiviables d'un certain nombre
d'éléments ou de composés chimiques obtenues à partir de granulats
préparés selon ledit procédé dépassent les seuils de concentration fixés
par la Norme NF X 30-402-2.
[0007] Il existe donc un besoin pour un procédé de préparation de
granulats légers à partir d'un mélange à base d'argile. Par argile on
entend de la matière minérale argileuse. Par mélange à base d'argile ,
on entend un produit argileux constitué principalemement de déchets issus
des industries du traitement de l'eau, du dragage des voies d'eau et des
ports ainsi que les industries du BTP. Il existe un besoin d'un procédé
permettant de remédier aux inconvénients du procédé de l'art antérieur,
et conduisant en particulier à des granulats acceptables d'un point de vue
réglementaire.
Description de l'invention
[0008] L'invention a ainsi pour premier objet un procédé de préparation de
granulats légers comprenant au moins les étapes suivantes :
a) une étape de granulation d'un mélange à base d'argile, pour obtenir des
granulats,
b) une étape de séchage des granulats obtenus, pour obtenir des
granulats séchés,
c) une étape de traitement thermique des granulats séchés, ladite étape
comprenant deux sous-étapes successives :
I) une première sous-étape de traitement thermique réalisée sous
atmosphère réductrice à une température Ti comprise entre 900 et
1200 C environ,
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ii) une deuxième sous-étape de traitement thermique réalisée sous
atmosphère oxydante à une température T2 comprise entre 1050 et
1300 C environ, et
d) une étape de refroidissement des granulats.
Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, chacune
des étapes de traitement thermique est réalisée dans un four tournant, de
préférence le temps de séjour du produit dans le four est ajusta ble en
contrôlant la vitesse de rotation du four et donc la vitesse d'entraînement
des granulats.
[0009] Selon le procédé conforme à la présente invention, la réalisation
desdites deux sous-étapes de traitement thermique, dans cet ordre,
permet de façon surprenante, d'éliminer une très grande partie des
fractions lixiviables d'un certain nombre d'éléments ou de composés
chimiques et d'aboutir ainsi à des granulats dans lesquels la concentration
d'une très grande majorité de ces éléments et composés chimiques est
inférieure aux seuils de concentration fixés par la règlementation. En effet,
la première sous-étape de traitment thermique réalisée sous atmosphére
réductrice permet dans des conditions de température définies d'extraire
les métaux lourds contenus dans la matrice, ces derniers étant tout
d'abord réduits puis extraits en phase gazeuse. De même, la
décomposition des sulfates n'est possible dans ce domaine de température
que sous une atmosphére reductrice. La deuxième sous-étape, sous
atmosphère oxydante, permet de plus le blocage de certains polluants
métalliques dans la matrice minérale sous forme de composés insolubles
tels que des composés de type spinelle.
[0010] Un procédé selon l'invention présente l'avantage de produire des
granulats légers à partir d'un matériau comprenant des polluants
métalliques et organiques. Par polluants organiques et polluants
métalliques on entend respectivement les éléments organiques ou
métalliques préjudiciables à l'environnement ou à la santé humaine
lorsqu'ils sont présents en quantité supérieure aux seuils de
concentrations fixés par la Norme NF X 30-402-2.
Ainsi, le procédé selon l'invention produit un granulat dépollué. En effet, la
mise en oeuvre du procédé selon l'invention conduit à la destruction des
matières organiques, la destruction thermique des agents pathogènes tel
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que les bactéries et virus, l'extraction des métaux lourds tel que le
mercure, le cadmium, le plomb et le zinc et la décomposition partielle ou
totale des sulfates et des carbonates. La mise en uvre de ce procédé ne
conduit pas à l'emprisonnement de ces polluants dans les granulats.
[0011] En particulier, les granulats préparés au moyen du procédé selon
l'invention présentent le grand avantage d'être dépollués, c'est-à-dire
valorisables en substitution des matières premières selon les normes en
vigueur, par rapport aux granulats non traités thermiquement, pour au
moins un, et de préférence plusieurs des éléments suivants :
- les métaux Arsenic (As), Baryum (Ba), Cadmium (Cd), chrome total (Cr
total), cuivre (Cu), Mercure (Hg), molybdène (Mo), nickel (Ni), plomb
(Pb), antimoine (Sb), sélénium (Se), zinc (Zn), et/ou
- les chlorures, les fluorures, les sulfates, et/ou
- l'indice phénols.
Le rendement d'extraction peut atteindre 99% d'efficacité en fonction des
polluants.
Un procédé selon l'invention permet de réduire d'au moins 95 % la
concentration des polluants dans les lixiviats par rapport à leur
concentration initiale, la concentration a notament été reduite de :
= 99,6 % pour le cuivre et ses composés
= 97,6 % pour le nickel
= 99,6 % pour le zinc
= 99,9 % pour les composés organiques
= 95,9 % pour les sulfates
[0012] Tout particulièrement, les granulats préparés par le procédé selon
l'invention sont dépollués en sulfates. Le niveau de dépollution des
granulats pour ces éléments peut être mis en évidence au moyen d'essais
de lixiviation réalisés selon la norme NF X 30-402-2, avec LIS = 10 L/Kg.
[0013] Les granulats préparés au moyen du procédé selon l'invention
présentent aussi le grand avantage d'être dépollués, c'est-à-dire qu'en
pratique ils sont valorisables, par rapport aux granulats non traités
thermiquement, pour au moins un, et de préférence plusieurs des
éléments suivants :
- le Carbone Organique Total (COT),
- le benzène, le toluène, l'éthylbenzène et les xylènes (BTEX),
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- les polychlorobiphényles 7 congénères (PCB),
- les hydrocarbures (HCT), et
- les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP).
La somme de ces différents polluants peut atteindre 30% en masse dans
le mélange à base d'argile avant traitement.
[0014] Le niveau de dépollutiondes granulatspour ces éléments, c'est-à-dire
l'efficacité du traitement obtenu par un procédé selon l'invention, peut être
mise en évidence au moyen d'essais de lixiviation sur déchets bruts, tels
que décrits dans la norme NF-X-30-402-2.
[0015] Les caractéristiques chimiques et physiques d'un granulat obtenu
par le procédé selon l'invention rendent ce procédé adapté pour la
préparation d'un matériau destiné à différentes utilisations, notamment
dans le domaine des travaux publics et de la construction.
[0016] Le procédé selon l'invention présente l'avantage de permettre la
production de granulats léger à partir d'un mélange à base d'argile
comprenant entre 5 % et 30 %, entre 10 A et 30 %, ou entre 20 % et 30
% en masse d'éléments polluants. Un procédé selon l'invention présente
en outre l'avantage de permettre la valorisation d'un volume important de
déchets industriels, car il permet de préparer des granulats légers à partir
d'un mélange à base d'argile comportant une proportion importante de
boues et sous-produits industriels.
[0017] Le procédé selon l'invention présente l'avantage d'être possiblement
économique en énergie. En effet, selon une mise en oeuvre particulière
d'un procédé selon l'invention, l'énergie nécessaire au séchage des
granulats peut être récupérée au cours du procédé, par exemple lors du
refroidissement des granulats après leur traitement thermique. De plus,
selon un mode de réalisation particulier d'un procédé selon l'invention, la
première sous-étape de traitement thermique, réalisée sous atmosphère
réductrice, est autotherme. En effet, dans ce mode de réalisation, l'énergie
nécessaire est fournie par la décomposition et la combustion partielle des
composés organiques présents dans le mélange à base d'argile. Le gaz de
synthése ainsi produit alimente une chaudiére de récupération assurant la
combustion complète du gaz et la recupération d'énergie. L'énergie sera
recupérée sous forme d'air chaud ou de vapeur en fonction des besoins du
process.
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[0018] De plus, la différence de température entre la première et la
deuxième étape de traitement thermique peut être faible, ce qui contribue
à limiter la consommation en énergie fossile du procédé comparativment à
d'autres modes de traitement.
[0019] Dans un procédé selon l'invention, l'étape de traitement thermique
en conditions réductrices permet en outre de réduire considérablement les
volumes de fumées à traiter, au regard de procédés de l'état de l'art, et
autorise leur valorisation vers d'autres applications.
[0020] De plus, au regard des procédés de l'art antérieur, l'étape de
traitement thermique en conditions oxydantes ne nécessite que peu de
gaz, le besoin en gaz naturel étant divisé par 10 environ par rapport à un
procédé classique de production de granulats à partir d'argile noble, ce qui
contribue à une diminution de l'empreinte carbone du procédé.
[0021] Enfin, le procédé selon l'invention est étagé, les
différents réacteurs
pouvant en effet être séparés, ce qui permet d'optimiser de manière
totalement indépendante chacune des étapes, que ce soit la température,
l'atmosphére ou le temps de séjour des granulats dans le réacteur.
[0022] Par granulats légers on entend des granulats dont la densité est
inférieure à 1, de préférence comprise entre 0,6 et 0,95, plus
préférentiellement d'environ 0,8. Les granulats préparés par un procédé
selon l'invention sont poreux, durs et résistants.
[0023] Le granulat produit par un procédé selon l'invention est valorisable
dans l'industrie de la construction, les travaux publics, l'aménagement
paysager et l'agriculture.
[0024] D'autres avantages et caractéristiques d'un procédé selon l'invention
apparaîtront à l'examen de la description détaillée de l'invention et de
différents modes de réalisation, qui sont donnés à titre illustratif et non
pour limiter la portée de l'invention. Lorsque des plages de valeurs sont
indiquées, celles-ci incluent la valeur des bornes inférieure et supérieure.
[0025] Le procédé selon l'invention comprend une première étape a) de
granulation d'un mélange à base d'argile. Ledit mélange à base d'argile est
constitué d'un mélange de différents matériaux, chaque matériau
contenant une fraction plus ou moins importante d'argile et de matières
organiques, lesdits matériaux étant mélangés de manière homogène selon
les techniques connues par une personne du métier
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[0026] Un matériau utilisable dans le procédé selon l'invention peut
comprendre :
- de l'argile dite noble , issue notamment de carrières d'argile, et/ou
- de l'argile présente dans un matériau argileux issu de boues et de sous-
produits industriels, ledit matériau argileux étant choisi préférentiellement
parmi : un sédiment argileux de dragage, des fines de lavage des terres
polluées, un gâteau de filtration, ledit gâteau étant issu du traitement de
déchets liquides après centrifugation ou passage sur un filtre presse, les
boues issues des stations d'épuration des eaux usées (boues de STEP),
des boues de stations d'épuration urbaines (STEU).
[0027] Un mélange à base d'argile utilisable dans un procédé selon
l'invention comprend en particulier entre 10 et 90 % d'argile exprimé en
poids par rapport au poids de matière sèche. Dans un mélange à base
d'argile utilisable dans un procédé selon l'invention, l'argile est présente
du fait, d'une part, de la présence d'argile dite noble et/ou, d'autre
part, de la présence d'au moins un matériau pollué comprenant de l'argile.
Plus particulièrement, un mélange à base d'argile utilisable dans un
procédé selon l'invention comprend entre 10 et 90 % d'argile exprimé en
poids par rapport au poids de matière sèche.
[0028] La préparation d'un matériau argileux susceptible d'être incorporé
dans un mélange à base d'argile lors de l'étape a) du procédé selon
l'invention peut notamment comprendre la préparation d'une matrice
argileuse dans un état plastique par l'incorporation de liquide, en quantité
suffisante pour obtenir un taux d'humidité compris entre 30 % et 50 /0, de
préférence 40 Wo. Ce liquide est de préférence de l'eau, mais peut
également être choisi parmi l'eau industrielle, les eaux usées ou lixiviats.
Selon des modes particuliers de réalisation de l'invention, un ou plusieurs
additifs, sous forme liquide ou solide, peuvent également être ajoutés au
matériau argileux.
[0029] Les additifs susceptibles d'être ajoutés lors du procédé selon
l'invention sont destinés à faciliter certaines réactions chimiques ou
améliorer les caractéristiques mécaniques du granulat léger. Il s'agit par
exemple :
- du carbonate de baryum, qui neutralise les sulfates,
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- du carbone fixe, qui permet d'extraire certains métaux lourds et renforce
le caractère réducteur de l'atmosphère.
[0030] Une matière organique incorporée dans un mélange à base d'argile
utilisé lors de l'étape a) du procédé selon l'invention est notamment issue
d'un matériau choisi parmi les boues et sous-produits industriels. De
préférence, ce matériau est choisi parmi les boues issues des stations
d'épuration des eaux usées (boues de STEP), ou des boues de stations
d'épuration urbaines (STEU).
[0031] Selon un mode plus particulier de mise en oeuvre d'un procédé selon
l'invention, ledit mélange à base d'argile comprend (i) entre 10 et 25%, et
de préférence 20% de matériau argileux noble et (ii) au moins un
matériau obtenu à partir de boues et de sous-produits industriels, ledit
matériau étant choisi parmi :
- une boue organique, telle une boue de station d'épuration,
- un sédiment de dragage,
- un gâteau de filtration, et
- une combinaison desdits matériaux,
ledit matériau étant préalablement débarrassé de tout corps étranger du
type cailloux, coquilles de coquillage et morceaux de bois....
[0032] Encore plus particulièrement, dans un mode de mise en oeuvre d'un
procédé selon l'invention, ledit mélange à base d'argile est obtenu par le
mélange d'argile noble, à raison de 20 0/0, de sédiments de dragage de
nature argileuse, à hauteur de 40%, et de boues de STEP à hauteur de 40
/0. Lesdites boues de STEP comprennent des matières organiques jusqu'à
hauteur de 40 %, c'est-à-dire entre 1 % et 40 % de matières organiques,
de préférence entre 20 % et 30 % de matière organique. Dans ce cas
particulier, la teneur en matières organiques d'un tel mélange à base
d'argile est de l'ordre de 8 à 12%.
[0033] Un mélange à base d'argile utilisable dans un procédé selon
l'invention comprend de préférence entre 5 et 40 % en poids de matière
sèche organique, exprimé en pourcentage par rapport au poids sec total,
plus particulièrement entre 10 % et 30 % en poids de matière sèche
organique. Par matière sèche organique , on entend les composés
carbonés ou azotés, qui lorsqu'ils sont portés à une température élevée
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conduisent à un dégagement gazeux dont l'émission contribue à la
porosité particulière du matériau obtenu.
[0034] Ledit matériau organique est également de préférence débarrassé
des éventuels corps étrangers, notamment pierres, morceaux de bois et
de plastique. Il est ensuite de préférence broyé et mélangé, afin d'obtenir
un mélange homogène. Un ou plusieurs additifs, sous forme liquide ou
solide, peuvent également être ajoutés à ladite matière organique.
[0035] Dans un procédé selon l'invention, ledit matériau organique peut
éventuellement être constitué de boues et sous-produits industriels issus
de différentes origines, qui sont ensuite mélangés ou associés entre eux.
[0036] La préparation d'un mélange à base d'argile utilisable lors de l'étape
a) du procédé selon l'invention, comprend le mélange homogène des
matériaux. Le degré d'humidité du mélange à base d'argile peut être
ajusté par l'addition de liquide en quantité adaptée, pour obtenir de
préférence une teneur en eau comprise entre 30 % et 50 A), de préférence
d'environ 40 %. Le degré d'humidité du mélange peut en particulier être
ajustée par l'addition d'une quantité appropriée d'eau, eau industrielle,
eaux usées ou lixiviats. Un ou plusieurs additifs, sous forme liquide ou
solide, peuvent également être ajoutés audit mélange à base d'argile.
[0037] Selon un mode particulier de réalisation du procédé selon
l'invention, celui-ci ne comprend pas l'ajout d'additif.
[0038] Selon un aspect particulier du procédé selon l'invention, l'étape a)
de granulation du mélange à base d'argile comprend le broyage et le
façonnage dudit mélange à base d'argile, pour obtenir un mélange
homogène. Lesdits mélange, broyage et façonnage des matières
premières sont réalisés de préférence dans un seul et même équipement.
[0039] Selon une forme de réalisation préférée du procédé de l'invention,
ledit mélange à base d'argile comprend de 10 et 25%, et de préférence
environ 20% d'argile noble, exprimé en poids par rapport au poids total de
matière sèche.
[0040] Ainsi, selon une forme de réalisation préférée du procédé selon
l'invention, l'étape a) de granulation du mélange à base d'argile comprend
le mélange de l'argile et dudit au moins un matériau, le broyage et le
façonnage dudit mélange, pour obtenir un mélange homogène.
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[0041] La granulation peut être réalisée par tout moyen connu de la
personne du métier, notamment par extrusion ou par passage sur un
disque de pelletisation.
[0042] Lors de l'étape b) du procédé conforme à la présente invention, le
granulat est ensuite séché, de préférence jusqu'à obtenir un degré
d'humidité de moins de 20 % . L'étape b) de séchage peut être réalisée
par tout moyen connu de la personne du métier, de préférence à basse
température, c'est-à-dire à une température inférieure à 250 C, afin
d'éviter le relargage des éléments organiques et l'éclatement des
granulats. L'étape de séchage permet la réduction de l'humidité du
granulat et l'augmentation de sa dureté. Elle peut être réalisée dans un
séchoir adapté. L'énergie nécessaire au séchage peut provenir des calories
récupérées lors de l'étape d) de refroidissement après le traitement
thermique des granulats, par exemple au moyen d'un échangeur direct.
Ainsi, selon une forme de réalisation particulière et préférée du procédé
conforme à l'invention, ledit procédé comprend en outre une étape de
récupération des calories provenant du refroidissement des granulats lors
de l'étape d).
[0043] Après l'étape b) de séchage, le granulat est soumis, lors de l'étape
C), à un traitement thermique en deux sous-étapes successives, à des
températures appropriées et dans des conditions définies, selon le procédé
objet de l'invention.
[0044] Ce traitement thermique permet l'extraction des métaux lourds, la
production de gaz de synthèse, la décomposition des sulfates et des
carbonates, la destruction des agents pathogènes, la création de la
porosité et le grésage.
[0045] La première sous-étape de traitement thermique, ou pyrolyse,
consiste à soumettre le granulat à une température Ti comprise entre 900
et 1200 C environ, sous atmosphère réductrice.
[0046] Par atmosphère réductrice on entend une atmosphère
dépourvue d'oxygène et comprenant un gaz choisi parmi le monoxyde de
carbone, les hydrocarbures volatils, l'hydrogène, ou une combinaison de
ces gaz Une atmosphère réductrice est par exemple obtenue par la
combustion sous-stoechiométrique, et avec de l'air, des composés
organiques présents dans le mélange.
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[0047] La première sous-étape de traitement thermique peut être réalisée
par tout moyen approprié, connu de la personne du métier. Elle est
notamment réalisée dans un four tel que par exemple un four tournant
dans lequel l'atmosphère est réductrice. Cette étape est de préférence
réalisée en conditions sous-stoechiométriques. Cette étape permet la
production d'un gaz de synthèse riche en monoxyde de carbone (CO), en
hydrocarbures volatils (CxHy) et dépourvu d'oxygène.
[0048] Lors de cette première sous-étape de traitement thermique, les
métaux lourds tels que le mercure (Hg), le cadmium (Cd), le zinc (Zn) et
le plomb (Pb) sont réduits et se volatilisent, partiellement ou totalement.
Ces métaux se retrouvent à l'état gazeux dans le gaz de synthèse produit
lors de la réaction. Les principaux sulfates sont décomposés, les composés
soufrés, ainsi que les composés chlorés, sont extraits en phase gazeuse.
[0049] Les conditions utilisées pendant cette première sous-étape de
traitement thermique optimisent les quantités de gaz de synthèse
produites. Le gaz de synthèse produit lors de cette première sous-étape
peut être dirigé notamment vers une chaudière, un moteur thermique ou
un autre dispositif. Il est possible d'utiliser les gaz de synthèse de l'étape
de traitement thermique en atmosphère oxydante pour amorcer la
réaction de l'étape de traitement thermique en atmosphère réduite.
[0050] La température Ti de la première sous-étape de traitement
thermique est comprise entre environ 900 et 1200 C, de préférence entre
environ 950 et 1200 C, plus préférentiellement entre environ 1050 et
1150 C, et encore plus préférentiellement entre environ 1110 et 1150 C.
Cette gamme de température permet notamment d'extraire les composés
soufrés sans les oxyder en sulfates.
[0051] La température exacte de la première sous-étape de traitement
thermique dépend du mélange à base d'argile et de la composition du gaz
de synthèse éventuellement injecté dans l'enceinte dans laquelle a lieu
ledit traitement thermique.
[0052] La durée de la première sous-étape de traitement thermique est
généralement comprise entre 30 et 150 minutes environ, de préférence
entre 60 et 120 minutes environ, plus préférentiellement elle est de 120
minutes environ.
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[0053] La deuxième sous-étape de traitement thermique consiste en une
combustion sous atmosphère oxydante à une température T2 comprise
entre environ 1050 et 1300 C.
[0054] Par atmosphère oxydante on entend une atmosphère
comprenant au moins un agent oxydant, de préférence l'oxygène (02).
Une atmosphère oxydante est par exemple obtenue par la combustion sur-
stoechiométrique de méthane avec de l'air, pour conduire à une
atmosphère dans laquelle la proportion en oxygène est supérieure à 3%.
[0055] La deuxième sous-étape de traitement thermique peut être réalisée
par tout moyen approprié, connu de la personne du métier. Elle est
notamment réalisée dans un four tournant.
[0056] La température T2 de la deuxième sous-étape de traitement
thermique est comprise entre environ 1050 et 1300 C, de préférence
entre environ 1050 et 1150 C, plus préférentiellement entre environ 1110
et 1150 C, et encore plus préférentiellement elle est d'environ 1125 C.
Cette deuxième sous-étape de traitement thermique permet de terminer la
décomposition des carbonates et la combustion complète des composés
organiques; les métaux tels que le fer (Fe), le nickel (Ni) et le chrome (Cr)
peuvent en outre réagir entre eux pour former des composés spinelles
insolubles. La décomposition des composés organiques, des sulfates et des
carbonates conduit à une structure poreuse donnant naissance à un
granulat léger, c'est-à-dire un granulat ayant de préférence une densité
inférieure à 1 environ. La haute température de la réaction conduit à la
céramisation et au grésage des matériaux, ce qui confère aux granulats
leur dureté et leur résistance mécanique.
[0057] La température exacte de la deuxième sous-étape de traitement
thermique dépend de la température de fusion des granulats, qui dépend
de la composition chimique du mélange à base d'argile.
[0058] La durée de la deuxième sous-étape de traitement thermique est
généralement comprise entre 30 et 150 minutes environ, de préférence
entre 60 et 120 minutes environ, plus préférentiellement elle est de 60
minutes environ.
[0059] Selon un mode de réalisation particulier du procédé selon
l'invention, la température Ti est inférieure ou égale à la température T2.
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Selon un mode de réalisation plus particulier du procédé selon l'invention,
Ti est égale à T2.
[0060] Après le traitement thermique de l'étape c), on obtient un granulat
dont la densité est généralement comprise entre environ 0,6 et 1, et dont
la granulométrie est comprise entre 1 et 15 mm.
[0061] Selon un mode de réalisation particulier d'un procédé selon
l'invention, les gaz de combustion générés lors de la deuxième sous-étape
de traitement thermique sont injectés dans l'enceinte dans laquelle a lieu
la première sous-étape de traitement thermique.
[0062] Lors de l'étape d), les granulats ainsi obtenus peuvent être refroidis
par tout moyen connu et adapté, notamment par l'introduction dans un
refroidisseur. Ledit refroidisseur fonctionne sous air ambiant. Cette étape
permet de refroidir les granulats jusqu'à une température inférieure à
100 C environ. Cette étape de refroidissement permet également de
récupérer des calories, le transfert des calories des granulats vers l'air
ambiant conduisant à un réchauffement de cet air, d'une température
d'environ 15 C à une température d'environ 250 C. L'air chaud ainsi
produit peut alors être récupéré, notamment pour une utilisation lors de
l'étape de séchage des granulats avant l'étape c) de traitement thermique.
[0063] La mise en oeuvre du procédé selon l'invention conduit donc à un
granulat léger caractérisé par une densité inférieure à 1. Ledit granulat est
également caractérisé par son aspect sphérique et sa dureté. Ledit
granulat est également caractérisé en ce que, par comparaison avec un
granulat prélevé avant le traitement thermique en deux sous-étapes du
procédé selon l'invention, lorsqu'il est soumis à un test de lixiviation selon
la norme NF X 30-402-2, il se caractérise par l'absence ou le faible niveau
de libération de polluants organiques et/ou de polluants métalliques, ou la
libération de polluants organiques et/ou de polluants métalliques à un
niveau compatible avec les paramètres définis pour la valorisation en
techniques routières ou en matériaux de construction par exemple .
[0064] Un granulat léger obtenu par le procédé selon l'invention est
particulièrement intéressant pour la fabrication de matériaux tels que : un
matériau drainant, un substrat de déneigement, du sable, un matériau
isolant, un parpaing allégé isolant, une toiture végétalisée. Un granulat
léger obtenu par le procédé selon l'invention est également
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particulièrement intéressant pour la fabrication de matériau de
construction tel que des bétons légers.
[0065] L'invention a donc aussi pour objet un matériau comprenant un
granulat obtenu par un procédé selon l'invention.
[0066] L'invention a pour deuxième objet l'utilisation d'un granulat obtenu
par le procédé selon l'invention dans l'industrie de la construction, des
travaux publics, de l'aménagement paysager ou de l'agriculture.
[0067] Plus particulièrement, l'invention a pour objet
l'utilisation d'un
granulat obtenu par le procédé selon l'invention pour un usage routier, de
préférence choisi parmi : un usage routier de type 1, un usage routier de
type 2 et un usage routier de type 3.
[0068] Les usages routiers de type 1 sont les usages d'au plus trois mètres
de hauteur en sous-couche de chaussée ou d'accotement d'ouvrages
routiers revêtus, ce sont notamment les remblais sous ouvrage, les
couches de forme, les couches de fondation, les couches de base et les
couches de liaison. Les usages routiers de type 2 sont les usages d'au plus
six mètres en remblai technique connexe à l'infrastructure routière ou en
accotement, dès lors qu'il s'agit d'usages au sein d'ouvrages routiers
recouverts. Ce sont également les usages de plus de trois mètres
d'épaisseur et d'au plus 6 mètres de hauteur en sous-couche de chaussée
ou d'accotement d'ouvrages routiers revêtus. Les usages routiers de type
3 ne font l'objet d'aucune restriction d'épaisseur de mise en oeuvre. Ce
sont notamment par exemple les usages en sous-couche de chaussée ou
d'accotement, pour la construction de pistes de chantier, de routes
forestières ou de chemins de halage.
Exemples
Exemple 1 : Préparation et caractérisation de produits avant
mélange
[0069] Un mélange à base d'argile et comprenant en outre trois types de
boues a été préparé, avec les proportions respectives suivantes : boues de
STEP: 40 % ; sédiments de dragage, 20 % ; gâteau de filtration, 20 % ;
argile noble, 20 /0.
[0070] Une analyse de la lixiviation de chacun des produits destinés à être
incorporés au mélange a été réalisée, le tableau 2 ci-dessous est une
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synthèse des résultats de ces analyses, et une extrapolation des valeurs
du mélange.
Valeurs Gâteau Sédi- Boues Argile Mé-
guides de rnents de
noUe lange
filtration STEP
Paramètres ISDI
Essais de lixiviation
norme NF X 30-402-2; L-S = 10 L/Kg, résultats exprimés en mgikg
Arsenic (AS) 0.5 0,2 0.2 -
0.2 0,52
Baryum (Ba) 20 0.29 0,15 3.35
0.87 1,61
Cadmium (Cd) 0,04 0,002 0,002
0 .011 0,002 -- 0.01
Chrome total (Cr total) 0,5 0,1 0,1 0.1
0,1 0.1
Cuivre (Cu.) 2 0,7 0..2 50.3
0,2 20,34
Mercure (Hg) 0,01 0,001 0.001
0.003 0,001 -- 0,01
.Morybciene i=Mo; 0,5 0,156 0,055 1,95
0,045 0,84
Nickel (Ni) 0,4 0,1 0,1 4.48
0,1 1,86
Plomb (Pb) 0,5 0,1 0,1 1,32
0,1 0.59
Antimoine !Sb) 0,06 0,1 0,01 0.026
0.022 0.04
Sélén-um f .0e 0,1 0,01 0,02 0,85
0,031 0,36
Zinc (Zn) 4 0,2 0,2 8,39.
0,2 3,48
Chlorures (3) 800 72,5 4870 1430
226 1605,7
Fluorures 10 5 7,12 5
8,82 6,19
Sulfates (3) 1000 14900 3040
2160 1080,0 -- 4668
Indice phénols 1 0,5 0,5 5.72.
0.5 2,59
Carbone organique total 500 10 130 62000
50 24860
iC,CTII sur ébat
Fraction so.uble (3) (F.S.) 4000 23500 14400
159000 2040 71588
Essais sur déchets bruts
Carbone organique total 30000 44600 19600 263000
24000 122840
(COT)
Benzène. Ioluène, 6 0,05. 0,05 0,07
0.05 0,06
éthylbenzêne et xylènes
iBTEX)
PolyChloroE.phényies 7 1 0,121 0,01 0,01
0,01 0,04
congénères (PCB)
Hydrocarbures (C10 à C40) 500 1300 220 1000
45 713
(HCT,
Hydrocarbures aromatiques 50 21 0,99 0,61
0.05 4,66
polycycliques (HAP)
Tableau 2
[0071] On peut remarquer que les résultats des analyses des lixiviats des
déchets bruts dépassent certaines des valeurs guide définies dans la
norme.
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Exemple 2 : Essais de cuisson
[0072] Chacun des différents composants a été tout d'abord pesé puis les
différents composants ont été mélangés dans un mélangeur/malaxeur. Le
mélange à base d'argile préparé, pesant environ 30 kg, a été séché
ensuite à l'air libre pour atteindre une humidité de l'ordre de 20 %,
exprimé en % de H20 sur matière sèche. Les mesures d'humidité ont été
réalisées sur un dessicateur à infrarouge de marque Mettler-Toledo. 500
grammes du mélange de base ont ensuite été broyés dans un mélangeur
de type Blender jusqu'à l'obtention d'une poudre fine. Les éléments
indésirables du type cailloux, coquilles de coquillage et morceaux de bois
ont été enlevés par tamisage. Le produit obtenu a été à nouveau mélangé
dans le mélangeur en y ajoutant les éventuels différents additifs
sélectionnés. Tout en continuant le mélange, le produit a été hydraté afin
d'obtenir un pâton permettant la réalisation des granulats. Les granulats
obtenus ont été ensuite séchés dans une étuve électrique à 120 C
pendant 24h. Une fois sec, un échantillon de 500 g a subi un traitement
thermique en deux étapes.
[0073] Lors d'un essai préliminaire, l'échantillon a subi
successivement
deux étapes de traitement : une première cuisson à 700 C pendant 20-30
minutes, puis un traitement thermique pendant 60 minutes à 1075 C. Une
fois le traitement thermique réalisé, les billes ont été refroidies à l'air.
[0074] Les essais de lixiviation ont été effectués suivant la norme NF X 30-
402-2 (NF EN 12457-2). Les analyses chimiques ont ensuite été réalisées
selon les recommandations citées dans ladite norme. Les résultats obtenus
avant et après traitement ont été comparés, les résultats moyens sont
présentés dans le tableau 3 ci-dessous.
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Valeurs guides Avant traitement
Après traitement
Paramètres ISDI Moyenne
Moyenne
Essais de lixiviation
norme NF X 30-402-2; L-S = 10 L/Kg. résultats exprimés en mg/kg
ArsenicLAS) 0.5 0,36
0.05
Baryum (Ba) no 0,85
1.62
Cadmium (Cd) 0.04 0,01
0.01
Chrome total (Cr total) 0.5 0,1
0,85
Cuivre .(CLI 2 87,5
0.08
Mercu-e J,1-1g) 0,01 0,000
0,000
Molybdène 0,5 1,61
15,17
Nickel (Ni) 0,4 6,17
0.05
Plomb (PH 0,5 0.46
0.09
Antimoine (Obi 0,06 0,36
0.01
SélériLim (Se) 0.1 0,45
0.18
Zinc (Zn) 4 5,90
0.03
Chlorures (3) 800 1770
96.83
Fluorures 10 5
1
Sulfates (3) 1000 12450
14433
Indice phénals 1 0,6
0,11
Carbone organique total 500 14500
1800
(COT) sur élut
Fraction soluble (3) (FS) 4000 62400
24833
Tableau 3
[0075] Les valeurs moyennes obtenues sur les analyses effectuées après
traitement dépassent les seuils admissibles en ISDI et donc ne seraient
pas valorisables. En particulier, on note la forte concentration en Mo,
carbone organique et sulfates dans les lixiviats.
Exemple 3: Echantillon traité selon l'invention, première série
d'essais
[0076] Un mélange à base d'argile comme décrit dans l'exemple 1 a été
préparé. Des granulats ont ensuite été préparés comme décrit dans
l'exemple 2. Les granulats obtenus ont été ensuite séchés dans une étuve
électrique à 120 C pendant 24h. Une fois sec, un échantillon de 500 g a
subi un traitement thermique en deux étapes. Les essais sous atmosphère
contrôlée ont été réalisés en four tubulaire dans un tube à quartz étanche.
Le cas échéant, les atmosphères dans les fours ont été reconstituées à
partir d'un mélange de gaz pur (Air, CO, CO2, N2) produit par la société Air
Liquide. L'injection des différents gaz est ajustée et contrôlée par des
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débitmètres micro-volumétriques préalablement étalonnés. Une fois le
traitement thermique réalisé, les billes ont été refroidies à l'air.
[0077] Les essais de lixiviation ont été effectués suivant la norme NF X 30-
402-2 (NF EN 12457-2). Les analyses chimiques ont ensuite été réalisées
selon les conditions référencées dans la norme NF X 30-402-2. Les
résultats obtenus ont été comparés aux seuils d'acceptabilité en
valorisation de matériaux alternatifs en technique routière du Guide
CEREMA, qui définit 3 types d'usage en fonction des valeurs limites
obtenues sur lixiviats.
[0078] Les matériaux routiers pouvant être utilisés dans des usages
routiers de type 1, 2 ou 3 sont ceux pour lesquels les matériaux alternatifs
entrant dans leur composition satisfont aux valeurs limites pour les
usages, respectivement de type 1, 2 ou 3. Le tableau 4 ci-dessous
rassemble les valeurs acceptables pour les usages routiers de type 1, type
2 ou type 3, déterminées lors des essais de lixiviation suivant la norme NF
X 30-0402-2; ces valeurs sont exprimées en ring/kg de matière sèche. Les
résultats des valeurs obtenues sur les essais de lixiviation de l'échantillon
brut, sans additif ni traitement thermique sont présentés dans le tableau 4
ci-dessous, dans la colonne Essai 0 .
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Type 1 Type 2 Type 3 Essai 0
Arsenic (AS) 0,6 0,6 0,6
0,5
Baryum (Ba) 36 25 25
0,5
Cadmium (Cd) 0,05 C.05 0,05
0,012
Chrome total (Cr total) 4 2 0,6
0,4
Cuivre (Cu) 10 5 3
8,3
Mercure (Hg) 0,01 0,01 0,01
0,0:04
Molybdène (Mo) 5,6 9,8 0,6
0.1
Nickel (Ni) 0,5 0,5 0,5
2,1
Plomb (Pb) 0,6 0,6 0,6
0,05
Antimoine (Sb) 0,6 0,3 0,08
0,5
Sélénium (Se) 0,5 0,4 0,1
0,05
Zinc (Zn) 5 5 5
6
Chlorures (3) 10000 5000 1000
260
Fluorures 60 30 13
1
Sulfates (3) 10000 5000 1300
27000
Indice phénols
2
Carbone organique total (COT) 500 500 500
9600
sur éluat
Fraction soluble (3)
67000
Tableau 4
[0079] Ces résultats montrent que le mélange obtenu présente de
nombreux dépassements (chiffres indiqués en gras) par rapport aux
valeurs guide et ne peut être valorisé en l'état.
Exemple 4: Echantillon traité selon l'invention, première série
d'essais
[0080] Dans cet exemple, le mélange de base, a été préparé selon le mode
opératoire décrit dans l'exemple 1, sous forme de granulats selon
l'exemple 2 et traité thermiquement comme indiqué dans l'exemple 3,
avec ajout d'un additif dans les essais 4 et 6. Ce mélange a ensuite été
soumis à un traitement thermique comprenant une première sous-étape
réalisée en atmosphère réductrice suivie d'une deuxième sous-étape
réalisée en atmosphère oxydante (essais 4 à 6).
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[0081] L'essai 4 a été réalisé sur le mélange brut en atmosphère mixte
(oxydante/réductrice). L'essai 5 été réalisé sur le mélange brut dans lequel
a été ajouté 5% de BaCO3 en atmosphère mixte (oxydante/réductrice).
L'essai 6 a été réalisé sur le mélange brut dans lequel a été ajouté 5%
d'agent réducteur (carbone), en atmosphère mixte (oxydante/réductrice).
Le tableau 5 ci-dessous décrit les mélanges réalisés (présence ou non
d'additif) et les séquences utilisées lors du traitement thermique.
Paramétres Essai 4 Essai 5 Essai 6
.Additif
:..7!aCC:13 BaCCD3
Atimosphére Red Red.:ox
Atm. réclUctrice
erature UC) 1-100 1 -125 1-1 'a
Ter ps de séjour 2C1 2G 20
(mn:,
Atm. oxydante
'Tel é ature CC) '1100 -1125 "11-111:1
7-ei-7.1s de séjour 3111
Tableau 5
[0082] Les résultats sont présentés dans le tableau 6 suivant.
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Type 1 Type 2 Type 3 Essai 4
Essai 5 Essai 6
Arsenic 0,6 0,6 0,6 0,05 0,05
0,05
(As)
Baryum 36 25 25 3,3 1,8
1,2
(Ba)
Cadmium 0.05 0,05 0.05 0.001 0,002
0,002
(Cd)
Chrome 4 2 0,6 0,26 0,26
0,43
total (Cr
total i
Cuivre 10 5 3 0,46 0,04
0,12
(Cu)
Mercure 0,01 0,01 0,01 0,0003
0,0003 0,0003
(Hg)
Molybdène 5,6 2,8 0,6 1,4 1,6
2,1
(Mo)
Nickel 0,5 0,5 0,5 0,05 0.05
0,05
(Ni)
Plomb 0,6 0,6 0,6 0,05 0.05
0,05
(Pb)
Antimoine 0,6 0,3 0.08 0,05 0,05
0,05
(Sb)
Sélenftlm 0,5 0,4 0,1 0,05 0,05
0,05
(Se i
Zinc 5 5 5 0,05 0,05
0,05
(ln)
Chlorures 10000 5000 1000 18 16
14
(3)
Fluorures 60 30 13 1 -.
1
Sulfates 10000 5000 1300 5200 2400
3700
(3)
Indice 0,1 0,1
0,1
phénols
COT sur 500 500 500 36 10
20
eluat
Fraction 22000
12000 13000
soluble ,3)
Tableau 6
[0083] La comparaison des résultats avec l'échantillon brut démontre que
quel que soit le mode de traitement, les métaux à l'exception du
s Molybdène ne
sont plus lixiviables après traitement.
[0084] Le carbone organique total est passé d'une concentration de 9600
mg/kg à moins de 20 mg/kg après traitement. La concentration en
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sulfates dans les lixiviats a été divisée par 6 pour atteindre une moyenne
de 4600 mg/kg. Néanmoins cette valeur reste encore trop élevée au
regard des objectifs de cette étude. La concentration en sulfate la plus
basse a été obtenue pour l'essai N 5 (2400 mg/kg). Ce résultat a été
obtenu sur un échantillon brut (sans additif) avec une séquence de
traitement thermique de 60 minutes à 1075 C sous atmosphère réductrice
suivi d'une cuisson de 30 minutes sous atmosphère oxydante à la même
température. Nous pouvons aussi constater que comparativement aux
essais 4 et 5, l'ajout d'additif au mélange de base n'a exercé aucune
influence positive sur la qualité du traitement.
Exemple 4: Echantillon traité selon l'invention, deuxième série
d'essais
[0085] Dans cet exemple, le mélange de base, tel que décrit dans l'exemple
1, a été soumis tout d'abord à un traitement sous atmosphère réductrice,
suivit d'un traitement thermique sous atmosphère oxydante. Les
températures et temps de séjour ont varié suivant les essais et sont
décrits dans le tableau 7 suivant.
Paramètres Essai 7 Essai 8 Essai 9 Essai 10
Essai 11 Essai 12
Addi-if Non Non Non Non Non
Non
Atmosphère Red/ox Red/ox Red/ox Redlox
Red/ox Red/ox
Atm. réductrice
Température ( C) 1075 1075 1100 1100 1125
1110
Temps de séjour 120 120 120 120 120
120
(mn)
Atm. oxydante
Température ()C) 1075 1075 1100 1100 1125
1110
Temps de séjour 60 120 60 60 60
60
(mn)
Tableau 7
[0086] Le tableau 8 ci-dessous est une synthèse des analyses obtenues sur
la lixiviation des produits après traitement.
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[0087] [Tableau 8]
Type 1 Type 2 Type 3 Essai 7 Essai 8
Essai 9 Essai Essai Essai
-H 12
Arsenic 0,6 0,6 0,6 0,05 0,05 0,05 0.05
0,0.5 0,05
(.As)
.baryum 36 25 25 2,1 2,1 0,6 HI 1.2
1
Codmiun 0,05 0,05 0,05 0.002 0,002 0,01
0.002 0,01 0,01
c.::I;
Ch rame 4 2 0,6 0,4 0,44 0,02 0,2:.;
0,06 0,15
tnt.,1
0-:,i- total;.
Cuivre 10 5 3 0,03 0,03 0,03 0,03
0,02 0,03
(Cu)
Morcure 0,01 0,01 0,01 0,0003 1115003 0,0006 0,0003 0,0003 0,0003
Molybden 5,6 2,8 0,6 3,1 3.2 0,98 2,8
0.98 1,2
e (Mo)
Nickel 0,5 0,5 0,5 0,05 0.05 0,05 0,05
0,05 0,05
L Ni j
Pli rril) 0,6 0,6 0,6 0,05 0, Il 0,05 0,05
0CC 0,05
il-1))
Antimoine 0,6 0,3 0,08 0,05 0,05 0,05 0,05
0,05 0,05
(51))
Séléniupi 0,5 0,4 0,1 0,05 0,05 0,05 0,05
0,05 0,09
.(.Se)
Zinc (Ln !.:, 5 5 0,02 0,02 0.02 0õ1
0,02 0,02
(-1 il: Ji i ir..i. 100011i 5000 1000 17 16 830
380 540 510
rluorure.5 60 30 13 1 1 I 1 1
1
Sulfates =100010 5000 1300 3800 3300 1600
2800 1100 1300
Indice 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
0,1
phenolq
COT ,,H_Ir 500 590 500 10 10 10 10 10
10
6luat
Fraction 14000 13000 8 1110 12000
7100 6700
sol U [D I e
Tableau 8
[0088] Les résultats obtenus confirment que les métaux, à l'exception du
s Molybdène, ne sont plus lixiviables après traitement. Le carbone
organique
total (COT) est passé d'une concentration de 9600 mg/kg à moins de 10
mg/kg après traitement. La concentration en sulfates dans les lixiviats a
été divisée par 12 pour atteindre une moyenne de 2300 mg/kg après
traitement. Sur les essais 11 et 12, la concentration en sulfates est
10 descendue en-dessous du seuil de 1300 mg/kg qui est la limite
réglementaire actuelle pour la valorisation en matériaux routier de type 3,
qui est la limite la plus contraignante. Ces résultats ont été obtenus pour
un temps de séjour respectivement de 120 minutes en atmosphère
réductrice et 60 minutes en atmosphère oxydante. La plage de
température optimale semble se situer entre 1110 et 1125 C.
CA 03238724 2024- 5- 21
WO 2023/089176 25
PCT/EP2022/082630
[0089] La mise en place d'un protocole comprenant un traitement
thermique en deux phases, avec alternativement une première phase de
traitement thermique sous atmosphère réductrice, immédiatement suivi
d'un traitement thermique sous atmosphère oxydante, améliore
grandement les rendements par rapport à une absence de traitement ou
au regard des traitements décrits dans l'état de l'art, tels que notamment
décrits dans EP 1 571 135.
[0090] En particulier, dans une plage de température comprise entre 1110
et 1125 C, le rendement de conversion des sulfates a permis d'atteindre
des niveaux de sulfates dans les lixiviats en-dessous des seuils
actuellement en vigueur pour la valorisation des granulats en technique
routière.
[0091] Cette étude montre l'inefficacité de l'ajout de différents réactifs sur
les qualités de traitement. En particulier, l'ajout de carbonate de baryum
n'a pas eu d'effet sur le traitement des sulfates dans les essais.
CA 03238724 2024- 5- 21
